Курсовая работа (т): Транспортная сеть LTE

Транспортная сеть LTE

Введение

В связи с развитием человечества и, как следствие, увеличивающейся потребности иметь возможность мобильного широкополосного доступа не только в определённых местах, таких как дом или работа, но и в любой другой точке нахождения современного пользователя, технологии предоставления мобильного широкополосного доступа быстро развиваются. Сейчас при помощи интернета люди работают, учатся, общаются, развлекаются, пользуются в режиме онлайн услугами компаний и государственных учреждений.

Обеспечение пользователей услугами мобильного ШПД будет осуществляться благодаря сетям с поддержкой таких сетевых протоколов передачи данных как 3G/ UMTS, HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), HSPA (High Speed Packet Access), HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access) и LTE (Long Term Evolution) и WiMAX.

Все технологии мобильного ШПД имеют свои технические параметры, такие как скорость передачи данных, время отклика и пропускная способность. Поэтому не все из представленных технологий могут обеспечить высокое качество сервисов. Наиболее актуальной и перспективной технологией в плане проектирования и решения данной проблемы является стандарт LTE Advanced(Rel.10). Он имеет высокую скорость передачи данных, которая в теории достигает 1 Гбит/с на приём и 500 Мбит/с на отдачу; в стандарте же установлены 300 Мбит/с на приём и 50 Мбит/с на отдачу. Отличается повышенной ёмкостью, меньшим значением задержки. Это позволяет снизить стоимость передачи данных, расширить спектр мобильных услуг (и уменьшить цену на них). Также он интегрируется с уже существующими протоколами, может работать в различных частотных диапазонах - от 1.4 МГц до 20 МГц, с использованием разных технологий разделения: FFD и TDD, Поддержка размеров соты от нескольких десятков метров до 100км, в В городе и в районах плотной заселённости, более высокие частотные диапазоны (например, 2,6 ГГц в ЕС) используются для поддержки высокоскоростной мобильной широкополосной связи. В этом случае, размеры соты может быть 1 км или даже меньше. Многие сотовые операторы выбирают в качестве своего развития именно LTE Advanced (Rel.10).

Поэтому LTE Advanced (Rel.10) выбран для проектирования фрагмента сети в данной курсовом проекте для центральной части Нововятского р-на, г. Кирова.

. Особенности LTE

LTE (буквально с англ. <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA> Long-Term Evolution - долговременное развитие, часто обозначается как 4G LTE) - стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, работающих с данными. Он основан на GSM <https://ru.wikipedia.org/wiki/GSM>/EDGE <https://ru.wikipedia.org/wiki/EDGE> и UMTS/HSPA <https://ru.wikipedia.org/wiki/HSPA> сетевых технологиях, увеличивая пропускную способность и скорость за счёт использования другого радио интерфейса вместе с улучшением ядра сети. Стандарт был разработан 3GPP <https://ru.wikipedia.org/wiki/3GPP> (консорциум, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии) и определён в серии документов Release 8, с улучшениями, описанными в Release 10.является естественным обновлением, как для операторов с сетью GSM <https://ru.wikipedia.org/wiki/GSM>/UMTS <https://ru.wikipedia.org/wiki/UMTS>, так и для операторов с сетью CDMA2000 <https://ru.wikipedia.org/wiki/CDMA2000>. В разных странах используются различные частоты и полосы для LTE, что делает возможным подключать к LTE сетям по всему миру только многодиапазонные телефоны.

Хотя маркировка 4G <https://ru.wikipedia.org/wiki/4G> используется сотовыми операторами и производителями телефонов, LTE (как указано в серии документов консорциума 3GPP Release 8 и Release 10) не удовлетворяет техническим требованиям, которые консорциум 3GPP принял для нового поколения сотовой связи, а также требованиям, которые были первоначально установлены Международным союзом электросвязи <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D0%B6%D0%B4%D1%83%D0%BD%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%81%D0%BE%D1%8E%D0%B7_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%B2%D1%8F%D0%B7%D0%B8> (в спецификации IMT Advanced <https://en.wikipedia.org/wiki/IMT_Advanced>). Однако, вследствие маркетингового давления, а также значительных улучшений, которые WiMAX <https://ru.wikipedia.org/wiki/WiMAX>, HSPA+ <https://ru.wikipedia.org/wiki/HSPA%2B> и LTE смогли внести в изначальную версию технологии 3G, МСЭ принял решение, что LTE и другие вышеупомянутые технологии могут маркироваться как 4G. Стандарт LTE Advanced <https://ru.wikipedia.org/wiki/LTE_Advanced>, формально удовлетворяет изначальным требованиям МСЭ определённым в спецификации IMT Advanced <https://en.wikipedia.org/wiki/IMT_Advanced> и чтобы отличить его от текущей 4G технологии, МЭТ определил LTE Advanced и WiMAX-Advanced, как «Настоящий 4G» («True 4G»).

Система LTE была разработана для того, чтобы предоставить пользователям доступ к всевозможным сервисам, а также к сети Интернет посредством протокола IP. Сеть LTE состоит из множества узлов <#"806236.files/image001.jpg">

Рисунок 1 - Cистемная архитектура сети LTE

Далее (см. рисунок 1.2) представлена упрощенная схема реализации архитектуры SAE в рамках сети LTE.

Рисунок 1.2 - Архитектуры SAE в рамках сети LTE

Шлюз может выполнять функции сети пакетных данных (PDN) и обслуживающего шлюза, при этом может быть настроен как на любую из этих ролей, так и на обе.

Функционально MME отделен от шлюза - для облегчения развертывания сети, для перехода на независимую технологию и для максимально гибкой масштабируемости. шлюз служит общей опорной точкой для всех технологий доступа, обеспечивая стабильную IP-точку присутствия для всех пользователей вне зависимости от мобильности. - модуль управления мобильностью (Mobility Management Entity,) обеспечивает хранение служебной информации об абоненте и управление ею. Это основной управляющий элемент в сети LTE. Он осуществляет только функции управления и не работает с пользовательскими данными. Имеет непосредственную связь с UE (областью пользовательского оборудования).(Узел выставления счетов абонентам - Policy and Charging Rules Function): Policy Function (управление политикой) также может быть разделено на 2 функции: контроль шлюза (gating control) и контроль качеством.

Под контролем шлюза (gating control) понимается своевременность и безошибочность определения таких событий как начало предоставления, изменение параметров, завершение предоставления услуги и т.п.

Управление качеством включает в себя непрерывный мониторинг и поддержание заданных абонентскими параметрами характеристик качества предоставления услуг (QoS). /HSS (Home Subscriber Server - сервер абонентских данных сети) представляет собой большую базу данных и предназначен для хранения данных об абонентах. /HSS служит для хранения следующей информации:

пользовательских идентификаторов, номеров и адресной информации;

данные безопасности абонентов: информация для контроля доступа в сеть, аутентификации и авторизации;

информация о местоположении абонента на межсетевом уровне, т.е. если даже абонент покинет текущую сеть LTE оператора, то в HSS сохранится информация о том в какую сеть он перешел для его поиска в случае входящего звонка;

информация о профиле абонента.

Генерирует данные, необходимые для осуществления процедур шифрования, аутентификации и т.п.

Итак, LTE основана на «плоской» сетевой архитектуре, при которой базовые станции (или - eNodeB в терминологии LTE) напрямую подключены к усовершенствованной пакетной опорной сети (EPC). Со стороны пользователя соединение устанавливается с обслуживающим шлюзом (SGW), с управляющей стороны - с системой поддержки мобильности (MME).

В 3GPP Relase (Релизе) 10 поддерживается функция ретрансляции, что позволяет мобильным терминалам обмениваться данными с сетью через узел ретрансляции, соединенный по беспроводной связи с донорным узлом eNodeB, с использованием технологии радиодоступа LTE и спектра LTE, как показано на рисунке 1.3. С точки зрения терминала узел ретрансляции представляется «обычной» базовой станцией. Это означает, что устаревшие пользовательские устройства также могут подключаться к сети через узел ретрансляции. Функция ретрансляции может стать одним из способов быстрого и экономически эффективного расширения покрытия сети LTE.

Сюда входят как расширение зоны обслуживания, так и увеличение скорости передачи данных.

Рисунок 1.3 - базовая станция в работе

Область сети радиодоступа логически разделена на два уровня: уровень радиосети (RNL, Radio Network Layer) и уровень транспортной сети (TNL, Transport Network Layer). Взаимодействие входящих в область сети радиодоступа БС осуществляется на основе X2-интерфейса (см. рисунок 1.2). Кроме того, имеет место транзитное соединение между базовыми станциями и базовой сетью через блок управления мобильностью (БУМ: S1 - MM-интерфейс) или обслуживающий узел (ОУ). S1-интерфейс поддерживает множественные отношения между набором БС и блоками БУМ/ОУ.

В первой части проекта проводится общее пояснение об интернете нового поколения, структурная схема передачи информации по IP сетям, ставятся цели и задачи проекта. Показывается путь развития сотовых технологий от аналоговых до сетей с поддержкой IP сетей. Объясняется принцип соединения нескольких технологий в одну глобальную сеть.

.4 Основные положения радио доступа

Наиболее важные технологии, включенные в новую сеть радиодоступа:

OFDM Ортогональная модуляция с частотным разделеием, многомерное (время, частота) динамическое распределения ресурсов и адаптация.

- Multiple Input Multiple Output (MIMO) многоантенная передача,

- турбо-кодирования и гибридный автоматический запрос повтора (ARQ)

Ряд расширений добавленных в стандарт (Carrier Aggregation, Relay Nodes, CoMP).

Эти технологии будут освещены в следующих пунктах.

.4.1 Технология OFDMFrequency Division Multiplexing является своего рода несущими метод передачи с относительно большим количеством поднесущих. OFDM предлагает множество преимуществ. Во-первых, с помощью техники многократной передачи несущей, символ времени может быть существенно больше.

Чем распространение задержки канала, которое уменьшает значительно или даже удаляет вмешательство межсимвола (ISI). Другими словами, OFDM обеспечивает высокую надежность против частоты отборное исчезновение. Во-вторых, из-за его определенной структуры, OFDM учитывает выполнение низкой сложности посредством Быстрого Fourier, Преобразовывают (FFT) обработку. В-третьих, доступ к область частоты (OFDMA) подразумевает высокую степень offreedom на планировщика. Наконец, это предлагает гибкость спектра который облегчает гладкое развитие от уже существующих радио-технологий доступа до LTE.

При использовании метода FDD LTE каждый символ OFDM передается по поднесущим 15 или 7.5 кГц. Один подкадр длится 1 миллисекунду, разделенную на 0.5 миллисекунды, и содержит несколько последовательных символов OFDM (14 и 12 для 15 и 7.5 кГц, resp.)

В восходящем канале используется SC-FDMA, а не OFDM. SC-FDMA также известна как DFT-spread модуляция OFDM. В основном, SC-FDMA идентична OFDM, если не применять начальный FFT перед модуляцией OFDM. Цель такой модификации состоит в том, чтобы уменьшить пик, уменьшить среднюю мощност передачи, таким образом уменьшаясь расход энергии в пользовательских терминалах.

Особенности OFDM сигналов заключаются в следующем:

- мультиплексирование сигналов на поднесущих частотах, модулированных информационными символами по выбранному закону (QPSK, 16QAM, 64QAM);

ортогональность сигналов на поднесущих частотах (взаимная корреляционная функция равна нулю) или, по крайней мере, их квазиортогональность (на практике);

каждый OFDM-символ имеет защитный временной интервал для исключения межсимвольной интерференции, который выбирается с учетом импульсной характеристики линии связи (физической среды распространения радиосигнала).

.4.2 Использование технологии MIMO в сетях LTE Advanced (Rel.10)

Технология MIMO в сетях LTE Advanced (Rel.10) играет одну из важных ролей в обеспечении высоких скоростей передачи данных.(Multiple Input Multiple Output - множественный вход - множественный выход) - технология, которая представляет собой беспроводной доступ, предусматривающая использование нескольких передатчиков и приемников для одновременной передачи большего количества данных. Технология MIMO использует эффект передачи радиоволн, называемый многолучевым распространением, когда передаваемые сигналы отражаются от множества объектов и препятствий и принимающая антенна воспринимает сигналы под разными углами и в разное время. С применением технологии MIMO становится возможным увеличить помехоустойчивость каналов связи, уменьшить относительное число битов, принятых с ошибкой. Работа систем MIMO может быть организована по двум принципам: по принципу пространственного уплотнения и по принципу пространственно-временного кодирования.

В первом случае различные передающие антенны передают различные части блока информационных символов или различные информационные блоки. Передача данных ведется параллельно с двух или с четырех антенн. На приемной стороне производится прием и разделение сигналов различных антенн. Во втором случае, со всех передающих антенн осуществляется передача одного и того же потока данных с использованием схем предварительного кодирования.

В данной случае под MIMO будет пониматься пространственное мультиплексирование (Spatial Multiplexing) - тот вариант MIMO, который позволяет достичь более высокой пропускной способности.
 В LTE-Advanced добавляется поддержка MIMO 8x8 в нисходящем канале (от базовой станции к мобильным станциям) и MIMO 4x4 в восходящем канале (от мобильной станции к базовой станции). Для этого вводятся новые режимы передачи (TM, Transmission Mode) и добавляются новые категории мобильных станций <#"806236.files/image004.jpg">

Рисунок 1.4 - Схема MIMO

В нисходящем канале для одной UE в одном TTI может передаваться до двух транспортных блоков (Transport Block, TB). Каждый из транспортных блоков может быть закодирован своей модуляционно-кодирующей схемой (Modulation and Coding Scheme, MCS). Для передачи HARQ подтверждений в восходящем канале используется один бит для каждого из транспортных блоков.

В восходящем канале UE может передавать до двух транспортных блоков одновременно. Как и при нисходящей передаче, транспортные блоки могут быть закодированы различными MCS.

.4.3 Расширения добавленные в стандартAggregation. Самым простым способом увеличения пропускной способности системы является использование более широкого канала. В рамках LTE-Advanced этот метод известен как Carrier Aggregation ("объединение несущих"). Для того, чтобы обеспечить обратную совместимость с предыдущими версиями стандарта (Release 8 и Release 9), в Release 10 расширение канала осуществляется путем объединения нескольких несущих, функционирующих по Release 8/9. Объединение несущих возможно при любом использовании дуплекса: FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex)

Одним из требований IMT-Advanced <#"806236.files/image005.jpg">

Рисунок 1.5 - Ширина канала

Для того, чтобы обеспечить обратную совместимость с LTE Rel.8 предусмотрена возможность конфигурации каждого канала (carrier) как будто это обычный канал LTE Rel.8. Однако, необязательно, чтобы одновременно все каналы были сконфигурированы в этом ключе. Используемые каналы могут занимать соседние частотные диапазоны (continuous), а могут находится и в различных частотных областях (non-continuous). Это позволяет обеспечить дополнительную гибкость при использовании имеющихся у оператора частотных диапазонах.

Рисунок 1.6 - Ширина канала

В случае использования нескольких каналов, которые занимают соседние частотные диапазоны, требуется защитный интервал в 300 КГц. Отметим, что с точки зрения реализации, вариант использования частотных каналов одинакового размера и занимающих соседние частотные диапазоны является наименее трудоемким. В то время как, реализация поддержки частотных каналов разного размера и из различных частотных диапазонов является наиболее трудоемкой. Как правило, предполагается, что каждый частотный канал обслуживается базовой станцией независимо (распределение ресурсов, HARQ процедуры и т.д.). Однако, возможны варианты совместного обслуживания частотных каналов (cross-carrier). Такой вариант может быть использован, например, в гетерогенных сетях. Для снижения энергозатрат мобильной станции возможно использование только одного частотного канала для передачи данных (primary carrier) с динамическим подключением дополнительных каналов (если мобильная станция поддерживает данную опцию) в случаях, когда необходимо передать большие объемы данных.Nodes. Также в LTE-Advanced добавляется поддержка узлов ретрансляции (Relay). Использование таких узлов позволяет закрыть "дырки" в покрытии и улучшить радиоусловия для пользователей, находящихся на границах соты. Узлы ретрансляции соединяются с базовой станцией, которая в этом случае называется Donor eNB (DeNB), через радиоинтерфейс, который называется Un-интерфейс. При этом, может использоваться тот же частотный диапазон, что и для обслуживания мобильных станций (в этом случае станции ретрансляции называются как Type 1 RN), или разные частотные диапазоны (Type 1a RN). Multipoint, CoMP. Одним из новых аспектов, который планируется включить в стандарт LTE Advanced, является координированная передача и прием (Coordinated Multipoint, CoMP). Если говорить простыми словами, то под данным термином подразумевается обслуживание одного абонентского устройства несколькими базовыми станциями (хотя в некоторых случаях это утверждение не совсем верно). Координированная передача и прием рассматриваются как способ, с помощью которого можно увеличить пропускную способность на границах секторов (cell edge). Особенно в случае переиспользования одних и тех же частот в различных ячейках.